इको कण छवि velocimetry

Summary

एक गूंज कण छवि velocimetry (EPIV) ऑप्टिकली अपारदर्शी तरल पदार्थ में या ऑप्टिकली अपारदर्शी geometries के माध्यम से वेग के दो आयामी क्षेत्रों को प्राप्त करने के लिए सक्षम प्रणाली में वर्णित है, और पाइप प्रवाह में माप सत्यापन रिपोर्ट कर रहे हैं.

Protocol

1. एक औसत दर्जे का फ्लो बनाएँ

1. EPIV सत्यापन माप एक ग्लिसरीन पानी के घोल (50% पानी ग्लिसरीन 50%) की पाइप प्रवाह में प्रदर्शन किया जाएगा. प्रयोगात्मक सेटअप का एक योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है.
2. 10 सुक्ष्ममापी की नाममात्र व्यास के साथ खोखले गिलास क्षेत्रों के लगभग 17 लाख प्रति वजन भागों के एक एकाग्रता में तरल पदार्थ को जोड़ रहे हैं. खोखले ग्लास क्षेत्रों अल्ट्रासाउंड विपरीत एजेंटों के रूप में कार्य करते हैं, और उनके आकार और घनत्व चुना जाता है ऐसी है कि वे निष्क्रिय तरल प्रवाह का पालन ^10.
3. एक निश्चित वोल्टेज एक ज्ञात प्रवाह की दर लागू करने के लिए पंप की आपूर्ति की है. प्रवाह दर ऐसी है कि यू << ΔX / δt, जहां यू पाइप में मतलब वेग, ΔX रैखिक EPIV माप मात्रा की लंबाई है, और छवियों के बीच δt समय कदम है, अर्थात् है चुना है, प्रवाह की जरूरत हो "" धीमी अल्ट्रासाउंड sy fps की तुलनास्टेम. ³

2. अल्ट्रासाउंड जांचना

1. बाहरी पाइप दीवार माउंट अल्ट्रासाउंड जांच. एक पानी के आधार सामयिक जेल अल्ट्रासाउंड जांच के लिए जांच चेहरा और पाइप की दीवार के बीच अल्ट्रासाउंड बीम के संचरण के नुकसान को कम करने के लिए लागू किया जाता है.
2. अल्ट्रासाउंड मशीन पर शक्ति. अल्ट्रासाउंड छवियों के एक जीवित स्ट्रीम स्वचालित रूप से सभी सिस्टम लोड एक बार शुरू होता है.
3. छवि अल्ट्रासाउंड मशीन के नियंत्रण कक्ष पर गहराई नियंत्रण का उपयोग कर घुंडी गहराई सेट.
4. कुल छवि लाभ अल्ट्रासाउंड मशीन के नियंत्रण कक्ष पर 2 डी लाभ का उपयोग कर घुंडी सेट.
5. समय हासिल मुआवजा स्लाइडर्स (TGC) को समायोजित करने के लिए पाइप की दीवारों से तितर बितर attenuate और अल्ट्रासाउंड संकेत का गहराई से संबंधित क्षीणन के लिए क्षतिपूर्ति.
6. छवि चौड़ाई, ध्यान देते हैं, जांच ऑपरेटिंग आवृत्ति, और फ्रेम दर आबंटित नियंत्रण knobs का उपयोग कर समायोजित कर रहे हैं. इनचार knobs, नियंत्रण कक्ष के बाईं शीर्ष पर स्थित है, मोड में जो सिस्टम चल रहा है के अनुसार बदलती हैं. 2 डी मोड (वर्तमान के रूप में प्रयोग किया जाता), बाएँ - से - दाएँ से knobs चौड़ाई, आवृत्ति, ध्यान केंद्रित करने के लिए अनुरूप, और फ्रेम दर क्रमशः. ध्यान दें कि अल्ट्रासाउंड इमेजिंग ⁹ मौलिक सिद्धांतों के कारण, इन चार मापदंडों स्वाभाविक मिलकर कर रहे हैं. नतीजतन, एक भी अल्ट्रासाउंड छवि स्कैन के लिए (यानी, एक EPIV प्रयोग) स्थानिक और लौकिक संकल्प के बीच एक व्यापार बंद है.
7. 10 सुक्ष्ममापी खोखले गिलास क्षेत्रों के साथ वरीयता प्राप्त पाइप प्रवाह के एक प्रतिनिधि अल्ट्रासाउंड छवि के लिए चित्रा 2 देखें. ध्यान दें कि सीमित पार्श्व संकल्प के कारण, गिलास क्षेत्रों पार्श्व दिशा में गंदा कर रहे हैं और छवि में ellipsoids के रूप में दिखाई देते हैं.

3. डेटा संग्रह

1. अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष को नई परीक्षा बटन दबाएँ करने के लिए एक नया प्रयोग शुरू करने के लिए.
2. एक बनाएँअंतिम नाम और प्रथम नाम और रोगी आईडी में परीक्षण संख्या में आज की तारीख में पाइप फ्लो दर्ज करके नया "रोगी".
3. "रोगी" के निर्माण के बाद शुरू होता है, एक अल्ट्रासाउंड स्कैन तक 1000-1500 छवियों के बीच पूर्व निर्धारित अधिकतम पर पहुंच गया है, जिसके बाद एक नया स्कैन पाश शुरू होता है. अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर रुक बटन दबाने से कभी भी छवियों की अधिकतम पूर्व निर्धारित संख्या तक पहुंचने के लिए पहले दो बार स्कैन को पुनः आरंभ करेगा.
4. एक बार अल्ट्रासाउंड छवियों का एक अच्छा सेट का अधिग्रहण किया गया है (यानी, तेज बीज कण छवियों और पर्याप्त बीज कण घनत्व), अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर रुक बटन दबाएँ छवि अधिग्रहण को रोकने के.
5. अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर Cineloop बटन दबाएँ. अल्ट्रासाउंड छवियों के सेट अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर पहले चक्र का उपयोग कर घुंडी सेट में पहली छवि का चयन करने के लिए विश्लेषण किया जा है, और अंतिम चक्र घुंडी का चयन करें चयन करने के लिएअंतिम सेट में छवि.
6. अल्ट्रासाउंड छवियों के चयनित सेट को बचाने के लिए अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर छवि स्टोर बटन दबाएँ.
7. पुरालेख अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर बटन दबाएँ और माउस कर्सर का उपयोग करने के लिए अंत परीक्षा का चयन करें. यह उपयोगकर्ता के चित्र या cineloops का चयन करने के लिए स्थानीय हार्ड ड्राइव को बचाने का संकेत जाएगा. ब्याज की cineloop (ओं) का चयन तो परीक्षा से बाहर निकलें.
8. पुरालेख अल्ट्रासाउंड नियंत्रण कक्ष पर बटन प्रेस और माउस कर्सर का उपयोग करने के लिए 1 से अधिक का चयन और फिर डिस्क प्रबंधन का चयन करें. डिस्क प्रबंधन PIV सॉफ्टवेयर चल पीसी को बचाया cineloop (ओं) हस्तांतरण होगा.

4. Filetype परिवर्तित

1. एक अल्ट्रासाउंड छवि (DICOM) अल्ट्रासाउंड मशीन पर फ़ाइल प्रकार चिकित्सा में एक डिजिटल इमेजिंग संचार के रूप में जमा है. आदेश में खोला जा और PIV सॉफ्टवेयर द्वारा पढ़ा, DICOM फ़ाइलें चित्र फाइल करने के लिए परिवर्तित किया जाना चाहिए. वर्तमान में,एक Matlab स्क्रिप्ट चलाने DICOM2JPG.m DICOM संयुक्त फोटोग्राफिक विशेषज्ञों का समूह (JPEG) फ़ाइल प्रकार के लिए फ़ाइलों को परिवर्तित करने के लिए किया जाता है.
2. JPEG छवियों अल्ट्रासाउंड तो LaVision से डेविस सॉफ्टवेयर का उपयोग का विश्लेषण कर रहे हैं.

5. विस्थापन फील्ड्स कम्प्यूटिंग, डी डेविस (एक्स, वाई) का उपयोग करते हुए,

1. डबल माउस पीसी पर डेविस आइकन पर क्लिक करें. नई परियोजना का चयन करें. PIV का चयन करें.
2. उपकरण पट्टी में आयात छवियों का चयन करें, और गिने फ़ाइलों के माध्यम से आयात का चयन करें. पुल - डाउन मेनू में, फ़ोल्डर जहाँ JPEG अल्ट्रासाउंड छवियों को संग्रहित कर रहे हैं का पता लगाने के लिए, और सेट की पहली छवि पर डबल क्लिक करें. यह इस सेट में गिने सभी अल्ट्रासाउंड छवियों का आयात करेगा.
3. आमतौर पर एक छवि मुखौटा अल्ट्रासाउंड छवि में संसाधित करने के लिए ब्याज की क्षेत्र (आरओआई) को अलग करने के लिए परिभाषित किया जाएगा. पाइप प्रवाह के लिए, मुखौटा पाइप दीवारों (यानी, तरल पदार्थ) के बीच रॉय को परिभाषित करने के लिए प्रयोग किया जाता है.
4. डेविस में मुख्य नियंत्रण कक्ष, वर्तमान आयातित छवियाँ शामिल परियोजना के तहत स्थित टैब का चयन करें, और लेबल बैच प्रोसेसिंग टैब का चयन करें. यह आयातित अल्ट्रासाउंड छवियों के बैच प्रोसेसिंग के लिए डेविस वेक्टर प्रसंस्करण खिड़की में सक्षम बनाता है.
5. संचालन सूची से, PIV समय श्रृंखला पेड़ का उपयोग, वेक्टर गणना मापदंडों का चयन करें, और वेक्टर प्रसंस्करण के लिए इस्तेमाल किया जा मापदंडों का चयन करें. यदि एक मुखौटा का प्रयोग किया जाता है, बॉक्स डेटा श्रेणी की जांच = वेक्टर गणना पैरामीटर मेनू में नकाबपोश क्षेत्र का उपयोग करें. ध्यान दें कि वेक्टर गणना मापदंडों का इष्टतम चयन प्रवाह ज्यामिति, प्रवाह संपत्तियों, छवि संकल्प, खोया सामानघर ट्रेसर कण घनत्व, और वांछित मात्रात्मक प्रवाह विश्लेषण पर निर्भर है ^10.
   पाइप प्रवाह माप के लिए, पैरामीटर है कि आम तौर पर सबसे अच्छा परिणाम सामने आए कम 32 x 32 ² से 8 x पिक्सेल से पूछताछ के आकार के साथ multipass8 ² 50% की एक ओवरलैप के साथ पिक्सेल. सापेक्ष वेक्टर रेंज प्रतिबंध ± (विंडो का आकार / 2) और निरपेक्ष सदिश रेंज प्रतिबंध ± 5 पिक्सल के लिए स्थापित किया गया था के लिए स्थापित किया गया था. अन्त में, एक 3 x 3pixel ² औसत फिल्टर करने के लिए शोर को दबाने और चिकनी वेक्टर क्षेत्रों में इस्तेमाल किया गया था.
6. बैच संसाधन स्क्रीन के बाईं तरफ, संसाधित किया जा छवियों की कुल राशि का चयन करें और शुरू प्रसंस्करण का चयन करें. यह विस्थापन क्षेत्र की गणना है, डी (एक्स, वाई) लगातार अल्ट्रासाउंड पार सहसंबंध एल्गोरिदम का उपयोग कर छवियों के बीच.

6. वैक्टर फील्ड्स का विश्लेषण

1. पोस्ट प्रसंस्करण और डेटा विश्लेषण के लिए, EPIV वेक्टर क्षेत्रों डेविस से. Txt फ़ाइलों के रूप में निर्यात कर रहे हैं. वेक्टर विस्थापन परियोजना स्क्रीन में छवि शाखा के अंतर्गत शाखा का चयन करके हासिल की है. उपकरण पट्टी में, निर्यात टैब का चयन करें, फ़ाइल प्रकार ASCII चयन txt चुनते हैं, / निर्यात फ़ोल्डर बनाने, एकघ निर्यात का चयन करें.
2. निर्यात वेक्टर क्षेत्रों Bxxxxx.txt, है, denoting बफर बी के साथ जहां 00001 ≤ XXXXX के ≤ 99999 नाम पर कर रहे हैं. प्रत्येक फ़ाइल चार डेटा स्तंभ शामिल हैं: (1) छवि में वेक्टर की एक्स - स्थान, (2) छवि में वेक्टर के y स्थान, (3) विस्थापन के एक्स घटक (यानी streamwise विस्थापन), (4) विस्थापन के y घटक (यानी, विस्थापन दीवार सामान्य). Bxxxxx.txt फ़ाइलों को खोला और संसाधित कर रहे हैं MATLAB में 1 छवि जोड़े के बीच समय कदम जानने, ΔT [एस], और छवि बढ़ाई, एम [मीटर / पिक्सेल], यानी (यू एक्स, वाई, वेग क्षेत्र की गणना ) = एमडी (x) y / ΔT,. छवियों के बीच समय कदम ΔT = 1/fps + D (एक्स, वाई) / बी, जहां बी [पिक्सल /] यह समय लेता है के लिए अल्ट्रासाउंड जांच छवि चौड़ाई में झाडू है. वर्तमान अध्ययन में, एम = 77 [/ सुक्ष्ममापी पिक्सेल], एफपीएस = 49.5 [1 / s], और बी = 25,047 [पिक्सल / s]. अगला ensem,ble औसत वेग वेक्टर क्षेत्रों, मतलब वेग के हित के अन्य प्रवाह मात्रा के बीच दीवार सामान्य प्रोफाइल, गणना कर रहे हैं. (अनुभाग प्रतिनिधि परिणाम देखें.)

Representative Results

एक तात्कालिक गूंज कण छवि velocimetry (EPIV) सदिश क्षेत्र चित्रा 3 में दिखाया गया है. वेक्टर साजिश वेग वैक्टर हर चौथे स्तंभ से पता चलता है, और पृष्ठभूमि रंग समोच्च मानचित्र वेग परिमाण से मेल खाती है. एक कलाकारों की टुकड़ी औसत वेक्टर साजिश 1000 तात्कालिक EPIV वेक्टर भूखंडों पर औसतन 4 चित्र में दिखाया गया है. पाइप प्रवाह के अनुरूप, वेग वैक्टर streamwise दिशा में मुख्य रूप से कर रहे हैं, सबसे बड़ा वेग पाइप centerline में होते हैं, और वेग पाइप दीवारों पर शून्य कमी. रूट मतलब वर्ग (rms) वेग परिमाण अस्थिरता चित्रा 5 में दिखाया गया है. चूंकि हेगन Poiseuille प्रवाह में, rms वेग हूबहू शून्य होना चाहिए, गैर शून्य rms वेग EPIV माप में शोर का एक उपाय प्रदान करते हैं. मैं मजबूत और पाइप दीवार से अल्ट्रासाउंड बीम का प्रतिबिंब अपवर्तन से ऊपरी दीवार परिणामों के निकट उच्च rms मूल्यों है कि उच्च छवि का उत्पादनइस क्षेत्र में ntensities (चित्रा 2 देखें). दीवारों अस्पष्ट कण माप त्रुटियों के लिए अग्रणी तीव्रता के पास ये उच्च तीव्रता. दीवार सामान्य मतलब streamwise पंक्तियों के साथ कलाकारों की टुकड़ी औसत वेक्टर साजिश (क्षैतिज दिशा) के औसत से गणना वेग के प्रोफ़ाइल चित्रा 6 में साजिश रची है. ठोस काला लाइन मतलब हेगन Poiseuille (पर्णदलीय पाइप) दिया प्रयोगात्मक शर्तों के लिए प्रवाह के लिए streamwise वेग प्रोफाइल उम्मीद है. का EPIV मापन और की उम्मीद हेगन - Poiseuille प्रोफाइल के बीच समझौते पाइप centerline के पास सबसे अच्छा और सबसे खराब पाइप दीवारों के पास सबसे बड़ा विचलन शीर्ष दीवार के पास होने वाली है. हम वर्तमान तरीकों पर काम कर रहे हैं पाइप दीवार में अल्ट्रासाउंड परावर्तन और अपवर्तन को कम करने और के पास दीवार EPIV माप में सुधार.

एफ1 igure प्रयोगात्मक सेटअप के योजनाबद्ध. एक मछलीघर पंप एक बंद लूप पाइपिंग प्रणाली में तरल पदार्थ (10 सुक्ष्ममापी कांच microspheres के साथ वरीयता प्राप्त) चलाता है. रैखिक अल्ट्रासाउंड जांच बाहरी पाइप दीवार से चिपका है और पाइप के माध्यम से अल्ट्रासाउंड तरंगों पहुंचाता और 10 सुक्ष्ममापी कांच microspheres और पाइप की दीवारों से परिलक्षित गूँज प्राप्त. अल्ट्रासाउंड मशीन परिलक्षित अल्ट्रासाउंड तरंगों की प्रक्रिया एक अल्ट्रासाउंड छवि बी मोड के रूप में. अल्ट्रासाउंड बी मोड छवियों वाणिज्यिक PIV सॉफ्टवेयर चल रहा पीसी के लिए निर्यात कर रहे हैं.

चित्रा 2 बी मोड पाइप प्रवाह कच्चा अल्ट्रासाउंड छवि. उच्च तीव्रता और छवि के शीर्ष तल पर लाइनों के बैंड पाइप दीवार के अनुरूप है और दीवार के लिए इंटीरियर ellipsoids 10 मीटर खोखले कांच microspheres के अनुरूप.

चित्रा 3. एक तात्कालिक वेक्टर वेक्टर तीर हर चौथे स्तंभ दिखा साजिश. पृष्ठभूमि रंग समोच्च मानचित्र वेग परिमाण से मेल खाती है. डी पाइप व्यास है, x streamwise पाइप इनलेट से मापा स्थिति है, और रेडियल ऊपरी दीवार से मापा स्थिति है.

चित्रा 4 पहनावा औसत वेक्टर साजिश 1000 तात्कालिक EPIV वेक्टर भूखंडों पर औसत. वेक्टर साजिश वेग वैक्टर हर चौथे स्तंभ से पता चलता है, और पृष्ठभूमि रंग समोच्च मानचित्र वेग परिमाण से मेल खाती है. लगातार पाइप प्रवाह, streamwise directio में वेग वैक्टर बिंदु के साथn, सबसे बड़ी वेग पाइप centerline पर पाए जाते हैं, और वेग पाइप दीवारों पर शून्य कमी.

चित्रा 5 वेग रूट मतलब वर्ग (आरएमएस) के कंटूर साजिश है. 1000 तात्कालिक EPIV वेक्टर भूखंडों पर गणना अस्थिरता. हेगन Poiseuille प्रवाह में, rms वेग उतार चढ़ाव EPIV माप में शोर का एक उपाय प्रदान करते हैं.

चित्रा 6 प्रयोगात्मक मापा streamwise वेग कलाकारों की टुकड़ी औसत EPIV वेक्टर 4 चित्र में दिखाया क्षेत्र से गणना प्रोफाइल मतलब. ठोस काला लाइन थियो हैएक ही बड़ा प्रवाह की दर के रूप में मापा प्रयोगात्मक के साथ एक प्रवाह Hagen - Poiseuille के लिए प्रोफ़ाइल retically की उम्मीद है. रेडियल पाइप centerline से मापा स्थिति r, जहां ऊपरी दीवार आर / डी -0.5 = मेल खाती द्वारा चिह्नित है. प्रयोगात्मक प्रोफाइल और प्रोफाइल की उम्मीद के बीच अंतर के पास दीवार EPIV माप की कठिनाई वर्णन.

Discussion

एक गूंज कण छवि velocimetry (EPIV) ऑप्टिकली अपारदर्शी तरल पदार्थ में या ऑप्टिकली अपारदर्शी geometries के माध्यम से वेग के दो आयामी क्षेत्रों को प्राप्त करने में सक्षम प्रणाली के लिए ऑपरेटिंग प्रोटोकॉल में वर्णित किया गया है. EPIV के व्यावहारिक अनुप्रयोग औद्योगिक और जैविक प्रवाह प्रणाली है, जहां अपारदर्शी तरल पदार्थ का प्रवाह एक महान कई आवेदन में होता है के अध्ययन के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है. विशेष रूप से यहाँ प्रस्तुत प्रणाली उद्देश्यपूर्ण तरलीकृत बायोमास lignocellulosic इथेनॉल के उत्पादन में इस्तेमाल तरल पदार्थ के प्रवाह गुणों का अध्ययन करने के लिए बनाया गया था. EPIV की क्षमताओं पाइप प्रवाह में प्रतिनिधि माप का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया. विशेष रूप से मतलब है, और rms वेग प्रोफाइल EPIV वेक्टर क्षेत्रों से गणना की गई, हेगन Poiseuille (लामिना) पाइप प्रवाह को औसत दर्जे का है और quantifiable होना दिखाया गया था. EPIV की सीमाओं स्वाभाविक कम फ्रेम (वाणिज्यिक अल्ट्रासाउंड प्रणाली की इमेजिंग क्षमताओं द्वारा सीमित) दर और कम स्थानिक संकल्प है, जो कर रहे हैंघंटे वेग और क्षणिक प्रवाह व्यवहार है कि मापा जा सकता है की सीमा को सीमित करता है. अन्त में, हालांकि हम लेख घुन्ना बनाने के लिए प्रयासरत है, वाणिज्यिक अल्ट्रासाउंड मशीन ⁷ और PIV ⁸ सॉफ्टवेयर के लिए उपयोगकर्ता मैनुअल पूर्णता के लिए विचार - विमर्श किया जाना चाहिए. पाठक भी ⁹ और ¹⁰ अल्ट्रासाउंड इमेजिंग बुनियादी बातों और कण छवि velocimetry की एक व्यापक समीक्षा के लिए क्रमशः जाना जाता है.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasound Machine	GE	Vivid 7 Pro
Linear Ultrasound Array	GE	10 L
DC Water Pump	KNF	NF 10 KPDC
Vector Processing Software	Lavision	DaVis 7.2
Post Processing Software	Mathworks	MATLAB 7.12
Acrylic Tubing	McMaster-Carr	8486K531
Ultrasound Gel	Parker	Aquasonic 100